Tiến Sĩ Nghiên cứu rung động và biện pháp giảm rung động trong nền do khai thác hệ thống tàu điện ngầm

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
NĂM - 2013


MỤC LỤC
Lời cảm ơn . i
Lời cam đoan . ii
Mục lục . iii
Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt vi
Danh mục các bảng biểu ix
Danh mục hình vẽ, đồ thị x
MỞ ĐẦU 1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 6
1.1. Khái niệm cường độ rung động 6
1.2. Cơ chế gây rung động và ảnh hưởng của rung động do khai thác hệ thống tàu điện ngầm 7
1.2.1. Cơ chế gây rung động do khai thác hệ thống tàu điện ngầm 7
1.2.2. Phản ứng của con người với rung động và giới hạn rung . 9
1.2.3. Ảnh hưởng rung động đến công trình xây dựng . 12
1.3. Tổng quan các phương pháp dự báo rung động và mô tả tải trọng động đoàn tàu. 13
1.4. Tổng quan các phương pháp giảm rung động . 19
1.5. Các kết quả đạt được của các công trình nghiên cứu đã công bố . 22
1.6. Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu 24
1.7. Các kết luận rút ra từ tổng quan 24

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THAM SỐ ĐỘNG CỦA NỀN ĐẤT 26
2.1. Các tham số động nền đất và tổng quan các phương pháp xác định 26
2.2. Phương pháp xác định tham số động của nền đất theo công thức thực nghiệm . 30
2.2.1. Xác định vận tốc sóng cắt từ thí nghiệm SPT [66] 30
2.2.2. Xác định vận tốc sóng cắt từ thí nghiệm CPT [66] . 31
2.2.3. Xác định tỷ số cản theo công thức thực nghiệm . 34
2.3. Thử nghiệm số xác định các tham số động nền đất tuyến metro số 6 - TpHCM . 35
2.4. Kết luận chương 2 41


CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU RUNG ĐỘNG CỦA NỀN ĐẤT DO KHAI THÁC HỆ THỐNG TÀU ĐIỆN NGẦM 43
3.1. Đặt bài toán và các giả thiết tính toán . 43
3.2. Cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn phân tích bài toán tương tác giữa kết cấu và nền biến dạng chịu tải trọng động . 44
3.3. Nghiên cứu rung động bằng phần mềm xác định tải trọng động tàu điện ngầm (DLT) và gói phần mềm PLAXIS . 47
3.3.1. Phân tích lựa chọn mô hình nền áp dụng cho nền đất TPHCM. 49
3.3.2. Nghiên cứu mô phỏng tải trọng động và xây dựng phần mềm xác định tải trọng động của đoàn tàu lưu thông trong hầm (DLT). 52
3.3.3. Xác định tần số dao động riêng của nền nhiều lớp bằng Plaxis . 60
3.3.3.1. Xác định tần số dao động riêng của nền đất tuyến metro số 6 . 63
3.3.3.2. Ảnh hưởng sự phân bố các lớp đất và sức cản của nền 65
3.4. Dự báo rung động của nền do khai thác tàu điện ngầm TpHCM . 68
3.4.1. Xác định sơ đồ bố trí tải trọng động và kích thước mô hình 70
3.4.2. Cường độ rung động theo phương ngang hầm tại Km0+940 và Km 6+700 trên tuyến metro số 6 – TpHCM 73
3.5. Thử nghiệm số khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố của hầm, nền đến rung động trong nền 75
3.5.1. Ảnh hưởng của khuyết tật mặt tiếp xúc bánh xe-ray đến rung động nền . 75
3.5.2. Ảnh hưởng của tốc độ chạy tàu đến rung động nền . 76
3.5.3. Ảnh hưởng loại hầm đến rung động nền 76
3.5.4. Ảnh hưởng độ dày vỏ hầm đến rung động nền . 77
3.5.5. Ảnh hưởng của lớp đất yếu đến rung động nền 78
3.6. Kết luận chương 3 . 80
3.6.1. Những kết quả chính đạt được 80
3.6.2. Những kiến nghị về mặt kỹ thuật 81

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP GIẢM RUNG ĐỘNG TRONG NỀN DO KHAI THÁC HỆ THỐNG XE ĐIỆN NGẦM . 83
4.1. Đặt vấn đề . 83
4.2. Vật liệu đàn hồi giảm rung động . 85
4.3. Mô hình bài toán và trình tự tính toán hiệu quả giảm rung 87
4.4. Đánh giá hiệu quả giảm rung động bằng đệm đàn hồi Sylomer đặt vĩnh cửu trong đường hầm 94
4.4.1. Phương án bố trí 1 lớp đệm đàn hồi Sylomer . 95
4.4.1.1. Bố trí tấm Sylomer tại đáy ray . 95
4.4.1.2. Bố trí 1 lớp Sylomer trong sàn hầm 97
4.4.2. Phương án bố trí 2 lớp Sylomer trong sàn hầm . 102
4.5. Khảo sát ảnh hưởng một số yếu tố đến hiệu quả giảm rung của đệm đàn hồi Sylomer 109
4.5.1. Ảnh hưởng của chiều dày lớp đệm đàn hồi Sylomer 109
4.5.2. Ảnh hưởng của chiều rộng lớp đệm đàn hồi Sylomer 110
4.5.3. Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi lớp đệm Sylomer. 111
4.5.4. Ảnh hưởng của lớp đất yếu 112
4.6. Kết luận chương 4 . 114
4.6.1. Những kết quả chính đạt được 114
4.6.2. Những kiến nghị về mặt kỹ thuật 114
KẾT LUẬN CHUNG 116
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ . 120
TÀI LIỆU THAM KHẢO 121


MỞ ĐẦU
Không gian ngầm là một lĩnh vực mới đang được quan tâm gần đây, nhằm nghiên cứu những vấn đề có liên quan đến kinh tế - kỹ thuật và môi trường khi khai thác phần dưới mặt đất theo nhu cầu phát triển các khu công nghiệp và các đô thị lớn. Sử dụng hợp lý không gian ngầm đô thị cho phép hạn chế được nhu cầu tăng diện tích của đô thị, cho phép giải quyết nhiều bài toán quản lý đô thị và quản lý giao thông ở tầm vĩ mô. Khi phát triển thành phố theo cả “bốn chiều”, vấn đề đặt ra là việc kiểm soát chất lượng môi trường sống trong các đô thị lớn là một nhiệm vụ quan trọng, nhằm đảm bảo sức khoẻ của cư dân, năng suất lao động. Chất lượng môi trường sống đô thị phụ thuộc vào trạng thái môi trường, một trong các thông số quan trọng đó là mức độ ồn, rung động.
Ở Việt Nam, trong những năm qua quá trình phát triển ở các đô thị Việt Nam đang diễn ra với nhịp độ rất lớn, đặc biệt ở Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh. Điều đó đang tạo ra một áp lực lớn đối với cơ sở hạ tầng giao thông đô thị. Vì vậy nhiều giải pháp đã được nghiên cứu đưa vào áp dụng và thực hiện trong những năm gần đây. Điển hình là Hà Nội và TpHCM đã quy hoạch xây dựng mạng lưới đường sắt đô thị hiện đại kết hợp với nhiều giải pháp khác. Hệ thống metro Hà Nội được quy hoạch gồm 6 tuyến (hình M.1) với lưu lượng vận chuyển khoảng 10~15 vạn khách/ngày trong giai đoạn đầu và 40~45 vạn khách/ngày trong giai đoạn sau [17]. Mạng lưới đường sắt đô thị TpHCM [17] theo quy hoạch có 6 tuyến với tổng chiều dài 107km, cùng với ba tuyến xe điện mặt đất và monorail có tổng chiều dài 35km nhằm mục tiêu thay thế 25% lượng xe gắn máy lưu thông trên đường đến năm 2010 và vào giai đoạn cuối 2020 sẽ giảm một nửa lượng xe gắn máy lưu thông trên đường. Năng lực chuyên chở ước tính trong điều kiện chạy 5 phút/chuyến tàu 5-6 toa là 1,644 triệu lượt hành khách/năm [18].

Khi đưa vào vận hành hệ thống tàu điện ngầm, các cơ cấu rung của toa xe sẽ tác động lên ray và các cơ cấu hỗ trợ bên dưới của ray gây ra rung động, đặc biệt trong điều kiện đất yếu các rung động này sẽ rất phức tạp. Rung có thể gây phá hoại kết cấu công trình xây dựng và gây khó chịu cho con người đặc biệt vào ban đêm đối với các khu dân cư sống hai bên tuyến đường, các khu vực giải trí, văn hoá (nhà hát, trường học, bệnh viện .) ở gần tuyến.
Hình M.1. Bản đồ quy hoạch mạng lưới đường sắt đô thị Hà Nội [17]
Với sự phát triển của hệ thống tàu điện ngầm như Việt Nam hiện nay, thực sự cần thiết phải xây dựng phương pháp đánh giá rung động và biện pháp giảm rung động trong nền đất khi khai thác hệ thống metro. Đặc biệt trong bối cảnh phát triển của khoa học kỹ thuật hiện nay, việc dự báo rung động khi khai thác các tuyến tàu điện ngầm cần phải triển khai sớm trước khi thi công xây dựng nhằm phát triển nền kinh tế quốc dân đi đôi với việc đảm bảo chất lượng môi trường sống đô thị. Vì vậy “Nghiên cứu rung động và
biện pháp giảm rung động trong nền do khai thác hệ thống tàu điện ngầm” luận án đặt ra cho đến nay đang là vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Hình M.2. Bản đồ quy hoạch mạng lưới đường sắt đô thị TpHCM [18]
Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án:
- Phân tích và lựa chọn phương pháp xác định các tham số động của nền đất làm cơ sở giải quyết bài toán tương tác kết cấu hầm – nền phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam.
- Nghiên cứu và xây dựng chương trình mô phỏng số tải trọng động của đoàn tàu di chuyển trong hầm, nhằm tạo dữ liệu đầu vào cho bài toán phân tích tương tác hầm - nền chịu tác dụng của tải trọng khai thác hệ thống tàu điện ngầm.
- Nghiên cứu tính toán mức độ rung động của nền đất do tải trọng động của đoàn tàu di chuyển trong hầm bằng phương pháp phần tử hữu hạn, trên cơ sở bài toán phẳng và phân tích ảnh hưởng của các tham số đến rung động trong nền.
- Nghiên cứu lựa chọn giải pháp, chứng minh hiệu quả của phương pháp giảm rung động bằng đệm đàn hồi đặt trong sàn hầm và phân tích ảnh hưởng của các tham số đệm đàn hồi đến hiệu quả giảm rung động của các phương án đề xuất.
- Trên cơ sở kết quả nghiên cứu, đề xuất sử dụng đệm đàn hồi giảm rung động vào công tác thiết kế, xây dựng các tuyến metro trong tương lai của Việt Nam, phục vụ phát triển kinh tế đi đôi với đảm bảo môi trường sống.